Paggamit sa Rare Earth Elements sa Nuclear Materials

1, Kahulugan sa mga Materyal nga Nukleyar

Sa halapad nga diwa, ang nukleyar nga materyal mao ang kinatibuk-ang termino alang sa mga materyales nga gigamit lamang sa nukleyar nga industriya ug nukleyar nga siyentipikong panukiduki, lakip ang nukleyar nga sugnod ug nukleyar nga mga materyales sa inhenyeriya, ie dili nukleyar nga mga materyales sa sugnod.

Ang kasagarang gitumong sa nukleyar nga mga materyales nag-una nga nagtumong sa mga materyales nga gigamit sa lain-laing mga bahin sa reaktor, nailhan usab nga reactor materyales. Ang mga materyales sa reaktor naglakip sa nukleyar nga sugnod nga moagi sa nukleyar nga fission ubos sa pagpamomba sa neutron, mga cladding nga materyales para sa nukleyar nga mga sangkap sa sugnod, mga coolant, neutron moderators (moderators), control rod nga mga materyales nga kusganong mosuhop sa mga neutron, ug reflective nga mga materyales nga makapugong sa neutron leakage sa gawas sa reaktor.

2, Kauban nga relasyon tali sa talagsaon nga yuta nga kahinguhaan ug nukleyar nga kahinguhaan

Ang Monazite, gitawag usab nga phosphocerite ug phosphocerite, usa ka komon nga accessory nga mineral sa intermediate acid igneous rock ug metamorphic nga bato. Ang monazite usa sa mga nag-unang mineral sa talagsaon nga yuta nga metal ore, ug anaa usab sa pipila ka sedimentary rock. Brownish pula, yellow, usahay brownish yellow, nga adunay greasy luster, complete cleavage, Mohs hardness of 5-5.5, and specific gravity of 4.9-5.5.

Ang nag-unang mineral nga ore sa pipila ka placer type nga talagsaon nga mga deposito sa yuta sa China mao ang monazite, kasagaran nahimutang sa Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, ug He County, Guangxi. Apan, ang pagkuha sa placer type rare earth resources kasagaran walay ekonomikanhong importansya. Ang nag-inusarang mga bato sagad adunay mga elemento sa reflexive thorium ug mao usab ang nag-unang tinubdan sa komersyal nga plutonium.

3, Kinatibuk-ang pagtan-aw sa talagsaon nga aplikasyon sa yuta sa nukleyar nga fusion ug nuclear fission base sa patent panoramic analysis

Human ang mga keyword sa talagsaon nga mga elemento sa pagpangita sa yuta hingpit nga gipalapdan, kini gihiusa uban sa mga yawe sa pagpalapad ug mga numero sa klasipikasyon sa nukleyar nga fission ug nukleyar nga fusion, ug gipangita sa database sa Incopt. Ang petsa sa pagpangita mao ang Agosto 24, 2020. 4837 ka mga patente ang nakuha human sa yano nga panaghiusa sa pamilya, ug 4673 ka mga patente ang gitino human sa artipisyal nga pagkunhod sa kasaba.

Ang mga aplikasyon sa rare earth patent sa natad sa nuclear fission o nuclear fusion giapod-apod sa 56 ka mga nasud/rehiyon, nag-una nga gikonsentrahan sa Japan, China, United States, Germany ug Russia, ug uban pa. Daghang mga patente ang gigamit sa porma sa PCT , diin ang mga aplikasyon sa teknolohiya sa patente sa China nagkadaghan, labi na sukad sa 2009, nga nagsulud sa usa ka paspas nga yugto sa pagtubo, ug ang Japan, Estados Unidos ug Russia nagpadayon sa pag-layout niini nga natad alang sa daghang tuig (Figure 1).

Figure 1 Ang uso sa paggamit sa mga patente sa teknolohiya nga may kalabutan sa aplikasyon sa talagsaon nga yuta sa nukleyar nga nukleyar nga fission ug nukleyar nga fusion sa mga nasud/rehiyon

Makita gikan sa pag-analisa sa mga teknikal nga tema nga ang paggamit sa talagsaon nga yuta sa nukleyar nga fusion ug nukleyar nga fission naka-focus sa mga elemento sa sugnod, scintillators, radiation detector, actinides, plasmas, nuclear reactors, shielding materials, neutron absorption ug uban pang teknikal nga direksyon.

4, Piho nga mga Aplikasyon ug Pangunang Pagpanukiduki sa Patente sa Rare Earth Elements sa Nuclear Materials

Taliwala kanila, ang nuclear fusion ug nuclear fission nga mga reaksyon sa nukleyar nga mga materyales grabe, ug ang mga kinahanglanon alang sa mga materyales estrikto. Sa pagkakaron, ang mga power reactor kasagaran mga nuclear fission reactor, ug ang mga fusion reactor mahimong mapopular sa dako nga sukod human sa 50 ka tuig. Ang aplikasyon satalagsaon nga yutamga elemento sa reactor structural materials; Sa espesipikong mga natad sa nukleyar nga kemikal, ang talagsaon nga mga elemento sa yuta kasagarang gigamit sa mga control rod; Dugang pa,scandiumgigamit usab sa radiochemistry ug nukleyar nga industriya.

（1） Ingon nga masunog nga hilo o control rod aron ma-adjust ang lebel sa neutron ug kritikal nga kahimtang sa nukleyar nga reaktor

Sa mga power reactor, ang inisyal nga nahabilin nga reaktibidad sa bag-ong mga core sa kasagaran medyo taas. Ilabi na sa unang mga hugna sa unang refueling cycle, kung ang tanan nga nukleyar nga sugnod sa kinauyokan bag-o, ang nahabilin nga reaktibo mao ang labing kataas. Niini nga punto, ang pagsalig lamang sa pagdugang sa mga control rod aron mabayran ang nahabilin nga reaktibidad magpaila sa daghang mga control rod. Ang matag control rod (o rod bundle) katumbas sa pagpaila sa usa ka komplikadong mekanismo sa pagmaneho. Sa usa ka bahin, kini nagdugang sa mga gasto, ug sa laing bahin, ang pag-abli sa mga lungag sa ulo sa pressure vessel mahimong mosangput sa pagkunhod sa kusog sa istruktura. Dili lamang kini dili ekonomikanhon, apan dili usab gitugotan nga adunay usa ka piho nga kantidad sa porosity ug kusog sa istruktura sa ulo sa pressure vessel. Bisan pa, kung wala’y pagdugang sa mga control rod, kinahanglan nga dugangan ang konsentrasyon sa mga kemikal nga nagbayad sa mga hilo (sama sa boric acid) aron mabayran ang nahabilin nga reaksyon. Sa kini nga kaso, dali alang sa konsentrasyon sa boron nga molapas sa threshold, ug ang coefficient sa temperatura sa moderator mahimong positibo.

Aron malikayan ang nahisgutang mga problema, ang kombinasyon sa masunog nga mga hilo, control rod, ug kemikal nga kompensasyon sa pagkontrol sa kasagarang magamit alang sa pagkontrol.

（2） Ingon usa ka dopant aron mapauswag ang paghimo sa mga materyales sa istruktura sa reaktor

Ang mga reaktor nanginahanglan mga sangkap sa istruktura ug mga elemento sa gasolina nga adunay usa ka piho nga lebel sa kusog, resistensya sa kaagnasan, ug taas nga kalig-on sa thermal, samtang gipugngan usab ang mga produkto sa fission nga makasulod sa coolant.

1) .Rare nga yuta nga asero

Ang nukleyar nga reaktor adunay grabe nga pisikal ug kemikal nga mga kondisyon, ug ang matag sangkap sa reaktor usab adunay taas nga kinahanglanon alang sa espesyal nga puthaw nga gigamit. Ang mga elemento sa talagsaon nga yuta adunay espesyal nga mga epekto sa pagbag-o sa asero, labi na lakip ang pagputli, metamorphism, microalloying, ug pagpauswag sa resistensya sa kaagnasan. Ang talagsaon nga yuta nga adunay mga asero kaylap usab nga gigamit sa mga nukleyar nga reaktor.

① Epekto sa pagputli: Gipakita sa kasamtangan nga panukiduki nga ang talagsaon nga yuta adunay maayo nga epekto sa pagputli sa tinunaw nga asero sa taas nga temperatura. Kini tungod kay ang mga talagsaon nga yuta mahimong mo-react sa makadaot nga mga elemento sama sa oxygen ug sulfur sa tinunaw nga asero aron makamugna og taas nga temperatura nga mga compound. Ang taas nga temperatura nga mga compound mahimong ma-precipitated ug ma-discharge sa porma sa mga inklusyon sa dili pa ang tinunaw nga asero mag-condense, sa ingon makunhuran ang kahugawan nga sulod sa tinunaw nga asero.

② Metamorphism: sa laing bahin, ang mga oxide, sulfide o oxysulfides nga namugna sa reaksyon sa talagsaon nga yuta sa tinunaw nga asero nga adunay makadaot nga mga elemento sama sa oxygen ug sulfur mahimong partially magpabilin sa tinunaw nga asero ug mahimong mga inklusyon sa asero nga adunay taas nga lebel sa pagkatunaw. . Kini nga mga inklusyon mahimong gamiton isip heterogeneous nucleation centers atol sa solidification sa tinunaw nga asero, sa ingon nagpauswag sa porma ug istruktura sa asero.

③ Microalloying: kung ang pagdugang sa talagsaon nga yuta dugang pa, ang nahabilin nga talagsaon nga yuta matunaw sa asero pagkahuman sa pagputli ug metamorphism sa ibabaw. Tungod kay ang atomic radius sa talagsaon nga yuta mas dako kay sa puthaw nga atomo, ang talagsaon nga yuta adunay mas taas nga kalihokan sa ibabaw. Atol sa proseso sa solidification sa tinunaw nga asero, talagsaon nga mga elemento sa yuta gipadato sa utlanan sa lugas, nga mas maayo nga makunhuran ang paglainlain sa mga elemento sa kahugawan sa utlanan sa lugas, sa ingon nagpalig-on sa solidong solusyon ug nagdula sa papel sa microalloying. Sa laing bahin, tungod sa hydrogen storage nga mga kinaiya sa talagsaon nga mga yuta, sila makasuhop sa hydrogen sa asero, sa ingon epektibo nga pagpalambo sa hydrogen embrittlement phenomenon sa steel.

④ Pagpauswag sa resistensya sa kaagnasan: Ang pagdugang sa mga talagsaon nga elemento sa yuta mahimo usab nga mapauswag ang resistensya sa kaagnasan sa asero. Kini tungod kay ang mga talagsaon nga yuta adunay mas taas nga potensyal sa pagkaguba sa kaugalingon kaysa sa stainless steel. Busa, ang pagdugang sa talagsa nga yuta mahimo’g madugangan ang potensyal sa kaugalingon nga kaagnasan sa stainless steel, sa ingon mapaayo ang kalig-on sa asero sa corrosive media.

2). Panguna nga Pagtuon sa Patent

Key patent: patente sa pag-imbento sa usa ka pagsabwag sa oxide nagpalig-on sa ubos nga pagpaaktibo nga asero ug ang pamaagi sa pag-andam niini sa Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Patent abstract: Gihatag mao ang usa ka oxide dispersion gipalig-on ubos nga activation steel nga angay alang sa fusion reactors ug sa iyang pag-andam nga pamaagi, gihulagway sa nga ang porsyento sa mga elemento sa haluang metal sa kinatibuk-ang masa sa ubos nga activation steel mao ang: ang matrix mao ang Fe, 0.08% ≤ C ≤ 0.15%, 8.0% ≤ Cr ≤ 10.0%, 1.1% ≤ W ≤ 1.55%, 0.1% ≤ V ≤ 0.3%, 0.03% ≤ Ta ≤ 0.2%, 0.1 ≤ Mn ≤ 0.6%, ug 0.05% ≤ Y2O3 ≤ 0.5%.

Proseso sa paghimo: Fe-Cr-WV-Ta-Mn mother alloy smelting, powder atomization, high-energy ball milling sa mother alloy ugY2O3 nanoparticlemixed powder, powder enveloping extraction, solidification molding, hot rolling, ug heat treatment.

Rare earth nga pamaagi sa pagdugang: Idugang ang nanoscaleY2O3mga partikulo sa ginikanan nga alloy atomized powder alang sa high-energy ball milling, nga ang ball milling medium mao ang Φ 6 ug Φ 10 mixed hard steel balls, nga adunay ball milling atmosphere nga 99.99% argon gas, usa ka ball material mass ratio sa (8- 10): 1, usa ka oras sa paggaling sa bola nga 40-70 ka oras, ug usa ka tulin nga rotational nga 350-500 r / min.

3）. Gigamit sa paghimo sa mga materyales sa pagpanalipod sa neutron radiation

① Prinsipyo sa pagpanalipod sa radyasyon sa neutron

Ang mga neutron maoy mga sangkap sa atomic nuclei, nga adunay static nga masa nga 1.675 × 10-27kg, nga 1838 ka pilo sa elektronik nga masa. Ang radius niini gibana-bana nga 0.8 × 10-15m, susama sa gidak-on sa usa ka proton, susama sa γ Ang mga silaw parehas nga wala makarga. Sa diha nga ang mga neutron makig-uban sa butang, sila nag-una nga nakig-uban sa mga nukleyar nga pwersa sulod sa nucleus, ug dili makig-uban sa mga electron sa gawas nga kabhang.

Uban sa paspas nga pag-uswag sa nukleyar nga enerhiya ug teknolohiya sa nukleyar nga reaktor, dugang ug dugang nga pagtagad ang gihatag sa kaluwasan sa nukleyar nga radiation ug pagpanalipod sa nukleyar nga radiation. Aron mapalig-on ang proteksyon sa radyasyon alang sa mga operator nga nag-apil sa pagmentinar sa kagamitan sa radiation ug pagluwas sa aksidente sa dugay nga panahon, kini adunay dako nga kahulugan sa siyensya ug ekonomikanhon nga kantidad aron mapalambo ang mga lightweight nga panagang nga komposisyon alang sa panapton nga panalipod. Ang radiation sa neutron mao ang labing hinungdanon nga bahin sa radyasyon sa nukleyar nga reaktor. Sa kinatibuk-an, kadaghanan sa mga neutron nga direktang kontak sa mga tawo gipahinay ngadto sa ubos nga enerhiya nga mga neutron human sa neutron nga panalipod nga epekto sa mga istruktura nga materyales sulod sa nukleyar nga reaktor. Ang ubos nga enerhiya nga mga neutron mobangga sa nuclei nga adunay mas ubos nga atomic nga numero nga elastiko ug magpadayon nga moderate. Ang moderated thermal neutrons masuhop sa mga elemento nga adunay mas dako nga neutron absorption cross sections, ug sa katapusan ang neutron shielding makab-ot.

② Panguna nga Pagtuon sa Patent

Ang porous ug organic-inorganic hybrid nga mga kabtangan satalagsaon nga elemento sa yutagadoliniumgibase sa metal nga organikong kalabera nga mga materyales nagdugang sa ilang pagkaangay sa polyethylene, nga nagpasiugda sa synthesized composite nga mga materyales nga adunay mas taas nga gadolinium nga sulod ug gadolinium dispersion. Ang taas nga gadolinium nga sulud ug pagkatibulaag direktang makaapekto sa neutron shielding performance sa mga composite nga materyales.

Pangunang patente: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, patente sa pag-imbento sa usa ka gadolinium based organic framework composite shielding material ug ang paagi sa pag-andam niini

Patent Abstract: Gadolinium based metal organic skeleton composite shielding material usa ka composite nga materyal nga naporma pinaagi sa pagsagolgadoliniumgibase sa metal nga organikong kalabera nga materyal nga adunay polyethylene sa gibug-aton nga ratio nga 2: 1:10 ug giporma kini pinaagi sa solvent evaporation o init nga pagpilit. Gadolinium based metal organic skeleton composite shielding nga mga materyales adunay taas nga thermal stability ug thermal neutron shielding nga abilidad.

Proseso sa paghimo: pagpili sa lainlaingadolinium nga metalmga asin ug mga organikong ligand aron sa pag-andam ug pag-synthesize sa lain-laing mga matang sa gadolinium base sa metal nga organikong kalabera nga mga materyales, paghugas niini sa gagmay nga mga molekula sa methanol, ethanol, o tubig pinaagi sa centrifugation, ug pagpaaktibo kanila sa taas nga temperatura ubos sa vacuum nga mga kondisyon aron hingpit nga makuha ang nahabilin nga wala'y reaksyon nga hilaw nga materyales. sa mga pores sa gadolinium base sa metal nga organikong kalabera nga mga materyales; Ang gadolinium base sa organometallic skeleton nga materyal nga giandam sa lakang gikutaw sa polyethylene lotion sa usa ka high speed, o ultrasonically, o ang gadolinium base organometallic kalabera materyal nga giandam sa lakang mao ang matunaw blended uban sa ultra-taas nga molekular gibug-aton polyethylene sa taas nga temperatura hangtud sa bug-os nga sinagol; Ibutang ang uniporme nga gisagol nga gadolinium base nga metal nga organikong kalabera nga materyal / polyethylene nga sagol sa agup-op, ug kuhaa ang naporma nga gadolinium nga nakabase sa metal nga organikong kalabera nga composite nga panagang nga materyal pinaagi sa pagpauga aron mapalambo ang solvent evaporation o init nga pagpilit; Ang giandam nga gadolinium based metal organic skeleton composite shielding material nakapauswag sa heat resistance, mechanical properties, ug superyor nga thermal neutron shielding nga abilidad kumpara sa puro polyethylene nga materyales.

Talagsaon nga yuta pagdugang mode: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 o Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 porous crystalline koordinasyon polymer nga adunay gadolinium, nga nakuha pinaagi sa koordinasyon polymerization saGd (NO3) 3 • 6H2O o GdCl3 • 6H2Oug organikong carboxylate ligand; Ang gidak-on sa gadolinium base sa metal nga organikong kalabera nga materyal mao ang 50nm-2 μm; Gadolinium base sa metal nga organikong kalabera nga mga materyales adunay lain-laing mga morpolohiya, lakip na ang granular, rod-shaped, o dagom nga porma nga mga porma.

（4） Aplikasyon saScandiumsa Radiochemistry ug nukleyar nga industriya

Ang Scandium metal adunay maayo nga thermal stability ug kusog nga fluorine absorption performance, nga naghimo niini nga usa ka kinahanglanon nga materyal sa atomic energy industry.

Pangunang patente: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, patente sa pag-imbento alang sa aluminum zinc magnesium scandium alloy ug ang paagi sa pag-andam niini

Patent abstract: Usa ka aluminum zincmagnesium scandium subongug ang paagi sa pag-andam niini. Ang kemikal nga komposisyon ug gibug-aton nga porsyento sa aluminum zinc magnesium scandium alloy mao ang: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, impurities Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, uban pang mga hugaw nga single ≤ 0.05%, uban pang mga impurities total ≤ 0.15%, ug ang nahabilin nga kantidad mao ang Al. Ang microstructure niini nga aluminum zinc magnesium scandium alloy nga materyal managsama ug ang performance niini lig-on, nga adunay katapusang tensile strength nga labaw sa 400MPa, usa ka yield strength nga labaw sa 350MPa, ug usa ka tensile strength nga labaw sa 370MPa alang sa welded joints. Ang materyal nga mga produkto mahimong magamit ingon nga mga elemento sa istruktura sa aerospace, industriya sa nukleyar, transportasyon, mga gamit sa palakasan, hinagiban ug uban pang natad.

Proseso sa paghimo: Lakang 1, sangkap sumala sa komposisyon sa haluang metal sa ibabaw; Lakang 2: Matunaw sa smelting furnace sa temperatura nga 700 ℃ ~ 780 ℃; Lakang 3: Pagdalisay sa hingpit nga natunaw nga metal nga likido, ug ipadayon ang temperatura sa metal sulod sa han-ay sa 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​sa panahon sa pagdalisay; Lakang 4: Human sa pagpino, kini kinahanglan nga bug-os nga tugotan nga mobarog; Lakang 5: Human sa hingpit nga pagbarug, pagsugod sa paghulma, pagmentinar sa temperatura sa hudno sulod sa han-ay nga 690 ℃ ~ 730 ℃, ug ang gikusgon sa paghulma mao ang 15-200mm/minuto; Lakang 6: Himoa ang homogenization annealing treatment sa alloy ingot sa heating furnace, nga adunay homogenization nga temperatura nga 400 ℃ ~ 470 ℃; Lakang 7: Panit ang homogenized ingot ug paghimo og init nga extrusion aron makahimo og mga profile nga adunay gibag-on nga dingding nga sobra sa 2.0mm. Atol sa proseso sa extrusion, ang billet kinahanglan nga magpabilin sa usa ka temperatura sa 350 ℃ ngadto sa 410 ℃; Lakang 8: Squeeze ang profile alang sa solusyon quenching pagtambal, uban sa usa ka solusyon temperatura sa 460-480 ℃; Lakang 9: Human sa 72 ka oras nga solid solution quenching, manually force aging. Ang manual force aging system mao ang: 90 ~ 110 ℃ / 24 ka oras + 170 ~ 180 ℃ / 5 ka oras, o 90 ~ 110 ℃ / 24 ka oras + 145 ~ 155 ℃ / 10 ka oras.

5, Sumaryo sa Pagpanukiduki

Sa kinatibuk-an, ang mga talagsaon nga yuta kaylap nga gigamit sa nuclear fusion ug nuclear fission, ug adunay daghang mga patent layout sa mga teknikal nga direksyon sama sa X-ray excitation, plasma formation, light water reactor, transuranium, uranyl ug oxide powder. Sama sa alang sa mga materyales sa reaktor, ang mga talagsaon nga yuta mahimong magamit ingon mga materyales sa istruktura sa reaktor ug mga may kalabutan nga materyales sa insulasyon sa seramik, mga materyales sa pagkontrol ug mga materyales sa pagpanalipod sa neutron radiation.